High-Speed Laser Surface Structuring for Thermal Spray Coating Preparation

Abstract

The preparation of surfaces for coating processes is indispensable for maximal adhesion and good coating results. These technical surfaces can be treated by chemical, mechanical, or physical procedures. In thermal spray coating, grit blasting is a standard process for surface preparation. This mechanical roughening and activation of the surfaces is fast and easy to handle. On the negative side, the grit gets wasted and the generated pattern is inflexible. Therefore, attempts to substitute grit blasting with a laser application is discussed in this article. Herein, a theoretical evaluation of high-speed laser surface texturing (LST) is performed to find limits and points for the optimization of these processes. To estimate the surface processing rates, continuous wave, nanosecond, and ultrashort pulse laser machined dimples and grooves are investigated, and results of the spray coatings are presented afterward. The steel substrates are coated with Stellite 6 and tungsten. Adhesion tests and coating structures are analyzed. In terms of the optimization of the laser texturing, in situ temperature measurements show the influence of the laser process speed on the thermal load of the substrate. The influence of the number of scanning repetitions on heat accumulation during LST is also analyzed.

Příprava povrchů pro procesy povlakování je nezbytná pro maximální přilnavost a dobré výsledky povlaku. Tyto technické povrchy lze upravovat chemickými, mechanickými nebo fyzikálními postupy. U žárového nástřiku je standardní proces přípravy povrchu otryskávání pískem. Toto mechanické zdrsnění a aktivace povrchů je rychlé a snadno ovladatelné. Na druhé straně se pískem plýtvá a vytvořený vzor je neflexibilní. Proto jsou v tomto článku diskutovány pokusy nahradit tryskání pískem aplikací laseru. Zde je provedeno teoretické vyhodnocení vysokorychlostního laserového texturování povrchu (LST) za účelem nalezení limitů a bodů pro optimalizaci těchto procesů. Pro odhad rychlosti zpracování povrchu jsou zkoumány důlky a drážky obrobené kontinuálním laserem a lasery s nanosekundovým a ultrakrátkým pulzem a následně jsou prezentovány výsledky žárových nástřiků. Ocelové substráty jsou potaženy Stellite 6 a wolframem. Jsou analyzovány adhezní testy a povlakové struktury. Z hlediska optimalizace laserového texturování ukazují měření teploty při procesu vliv rychlosti laserového procesu na tepelné zatížení substrátu. Analyzován je také vliv počtu opakování skenování na akumulaci tepla během LST.